과학영재교육원

물속을 자유로이 다니는 로봇 물고기가 탄생했다. 지난 14일 미 해군은 ‘고스트 스위머(Ghost Swimmer)’로 이름 붙여진 로봇 물고기를 성공적으로 작동시킨 것으로 알려졌다.  
물고기 로봇은 실제 물고기의 몸체와 움직임을 모방해 만들어진다. ⓒ 연합뉴스
미 해군에 따르면 이 로봇 물고기는 참다랑어와 비슷한 크기이며, 길이 약 1.5m , 무게 약 45㎏으로 전지를 동력원으로 하고, 상어처럼 꼬리지느러미를 좌우로 움직여 약 25㎝∼약 91m 깊이의 물속에서 헤엄칠 수 있다.  
이 로봇 물고기는 스파이 정찰 로봇으로 활용할 목적도 있으나 기뢰제거가 주 임무가 될 것으로 알려졌다. 기뢰(Sea mine)의 경우, 한 번 해상에 뿌려 놓으면 수면 위를 떠다니며 해안을 봉쇄하기 때문에 전쟁의 향방에 막강한 힘을 갖는 해양무기다.  
따라서 기뢰의 제거는 전쟁 중에도 전쟁이 끝난 다음에도 매우 중요하다. 제거 자체가 대단히 위험하고 실제로 사고도 많았다. 한 마디로 기뢰는 공격자와 방어자 모두에게 골치 아픈 무기다. 가뜩이나 근래에는 과학기술의 발달로 기뢰가 더욱 복잡해지고, 민감해져서 사람이 이를 제거하는데 한계를 갖고 있는 것이 사실이다.  
이에 미 해군은 이런 골칫거리 기뢰를 제거하기 위해 오래전부터 무인해양기술을 발전시켜왔다. 그 대표적인 장비가 바로 로봇 물고기다. 수중을 자유로이 다니는 이 로봇 물고기에 무인해양체계(Unmanned Maritime System, UMS)를 접목해 위험한 일을 대신하게 하는 것이다.  
따라서 물고기 로봇은 실제 물고기를 모방할 수밖에 없다. 물고기의 몸체, 지느러미, 꼬리 등의 운동과 그 움직임과 관련된 힘의 변화 등을 정확하게 모방해 만들어진다. 여기에다 탐지 기능과 제어 시스템을 탑재하면 해저에서의 수중 탐사는 물론 향후 심해저에서의 자원개발, 군사용 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다.  
수중에서 효율적인 지느러미 
인간이 바닷속을 탐사하기 위해 개발한 것 중에 잠수정은 지원 모선과 케이블로 연결돼 원격조종할 수 있는 매우 유용한 장비다. 소형 무인잠수정의 경우, 어뢰와 비슷한 모양을 갖고, 앞부분엔 수중센서, 뒷부분엔 프로펠러와 같은 추진체가 있다.  
통신장비까지 탑재한 무인장수정은 본선과 데이터를 주고받으며 심해에서 스스로 목표물을 찾아가 사진이나 동영상을 촬영해 전송하는 능력을 갖고 있다. 그럼에도 불구하고, 굳이 로봇 물고기를 개발하는 이유는 바로 동력원 때문이다.  
수중에서는 지상에서와 달리 연료를 주입하기가 어렵다. 이에 대해 전문가들은 “물고기의 수중에서 움직이는 모습은 바다에서 움직이기에 가장 적합한 형태다”고 말한다. 따라서 지느러미를 이용한 물고기의 움직임은 프로펠러를 이용한 잠수정이나 수중로봇보다 효율성에서 앞선다.  
또 물고기 로봇은 꼬리지느러미를 달고 있어서 신속하게 선회할 수 있다.  이를 통해 물고기 로봇은 직선 운동 위주인 프로펠러씩 로봇보다 수중에서 장애물을 피하는데 유리하다.  
일례로, 1995년 미국 MIT 공대는 세계 최초로 로봇물고기 ‘찰리(Charlie)’를 만들었다. 찰리는 약 1.2m의 길이에 2,000개 정도의 부품으로 이뤄졌고, 2마력짜리 모터 6개로 움직였다.  
이 찰리는 무선으로 조종하는 무인수중장비(UUV)로서 꼬리 부분에 자체 프로펠러를 달고 있었다. 이 로봇물고기는 CIA의 스파이 로봇으로 활동한 경력을 갖고 있다.  
찰리는 물고기 중에서도 참치를 많이 닮았는데 그 이유는 참치가 물고기 가운데서도 가장 움직임이 좋기 때문이다. 과연 그 운동 역학의 비밀은 어디에 있는 것일까?  
다관절 로봇으로 유연성 모방   
태곳적부터 물속에서 진화한 물고기는 최대의 추진력을 내는데 유리한 몸의 구조를 갖고 있다. 여기에다 몸통 여기저기에 달린 작은 지느러미를 통해서 나아갈 방향과 위치를 효과적으로 제어할 수 있다.  
또 물고기는 특성상 일분일초도 가만히 있을 수 없다. 따라서 물고기는 연속적이고, 반복적으로 꼬리지느러미를 움직인다. 이 운동적 특성을 알면 물고기 로봇의 꼬리지느러미의 효율적인 운용을 도모할 수 있다.  
전문가들은 “물고기의 꼬리를 포함한 뒷부분의 움직임이 추진에 결정적인 역할을 하고, 이 움직임이 앞부분의 운동과 연결되면 순간적으로 급속히 추진되거나 지느러미가 선회에 큰 역할을 한다”고 말한다.  
물론 이 꼬리 지느러미의 움직임은 단순한 좌우 운동이 아니라 마치 노를 젓듯이 매우 유연하고도 복잡하게 움직인다. 다시 말해 물고기 꼬리의 임의의 점은 시간에 따라 물고기 몸을 중심으로 사인파를 그리듯이 상하로 오르내리는 형상을 취한다.  
이 움직임을 물고기 로봇에 적용하기 위해서는 각 관절이 일정한 주기와 진폭을 갖고 움직이도록 만들어야 한다. 이 모든 관절의 주기가 일정할수록 실제의 물고기의 움직임과 유사하다고 할 수 있는 것이다.  
이를 위해 물고기 로봇에는 꼬리지느러미의 유연한 동작을 모방하기 위해 다관절 로봇이 사용된다. 다관절로봇이란? 보통 3개 이상의 모터를 사용, 원하는 방향으로 몸체를 유연하게 움직일 수 있도록 만든 로봇이다. 
또 물고기 로봇의 추력을 증진하려면 강력한 액추에이터를 사용해야 하는데 이는 설계상 큰 부피를 차지한다. 따라서 같은 부피에서 동일한 액추에이터를 사용해 최대 추력을 내는 기술이 향후 요구된다.
조행만 객원기자 다른 기사 보기chohang3@empal.com
저작권자 2014.12.29 ⓒ ScienceTimes
 
 
기사 원문은 인터넷 과학신문 '사이언스타임즈'(www.sciencetimes.co.kr)에서 확인할 수 있습니다. ▶  http://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EC%88%98%EC%A4%91%EC%9D%98-%EB%A7%8C%EB%8A%A5-%ED%95%B4%EA%B2%B0%EC%82%AC-%EB%AC%BC%EA%B3%A0%EA%B8%B0-%EB%A1%9C%EB%B4%87&s=%EB%AC%BC%EA%B3%A0%EA%B8%B0%20%EB%A1%9C%EB%B4%87